Введение
Последнее десятилетие активно развивается направление по заготовке как дикорастущих плодов и ягод, так и выращенных сельскохозяйственным путем. Намечается стойкая тенденция уже не просто к небольшому сбору для непосредственной реализации, но и к переработке крупных объемов растительного сырья в товарный продукт. В том числе непосредственно вблизи места заготовок. Вызвано это рядом причин, например быстрой порчей сырья.
Ягоды и плоды целесообразно перерабатывать на сок, с последующей концентрацией в вакуумных выпарных аппаратах при температуре кипения не выше 55 °С для сохранения максимального количества биологически активных веществ[3].
Обеспечить высокое качество концентрата можно только при соблюдении технологии выпаривания. Для процесса вакуумного концентрирования сока к основным технологическим параметрам можно отнести: температуру выпаривания и содержание сухих веществ в выпариваемом соке. Сухие вещества контролируют, как правило, при помощи рефрактометров различных конструкций. При этом необходимо осуществлять регулярный отбор проб упариваемого сока, что весьма затруднительно из-за наличия разряжения в аппарате. Существуют поточные рефрактометры, встраиваемые в аппаратуру, но они дорогостоящи и реально могут быть применены только на больших выпарных аппаратах.
Применение омического выпаривания существенно оптимизирует процесс переработки плодов и ягод в конечный продукт, однако существующие для этого аппараты обладают теми же недостатками, что и аппараты прямого нагрева [4; 5], в частности: необходимость четкого контроля за подаваемой удельной мощностью, сохранение температурного режима и поддержание вакуума в процессе выпаривания. Это является весьма проблематичным на аппаратах малого объема ввиду необходимости проводить замеры содержания сухих веществ и сопутствующей разгерметизации аппарата в процессе замеров. С целью устранения этих недостатков была проведена серия исследований, одни из которых заключались в установлении эмпирических зависимостей между электропроводностью соков и содержанием сухих веществ [2]. Параллельно была установлена эмпирическая зависимость подводимой удельной (отнесенной к единице площади выпариваемой поверхности) мощности от концентрации сухих веществ.
Объекты и методы исследований
Были проведены исследования с использованием яблочного сока, соков красной рябины, черной смородины и облепихи, доказывающие взаимосвязь удельной электропроводности разбавленного сока с его концентрацией, согласно эмпирической формуле Кольрауша:
(1)
Использовался кондуктометрический метод анализа. Результаты исследований представлены на рис. 1-5.
Также учитывалось, что для малых концентраций эквивалентная электропроводность сильного электролита равна:
(2)
Для более высоких концентраций:
(3)
Рис. 1. Зависимость электропроводности от содержания сухих веществ в соке при t=20 °C.
Рис. 2. Зависимость электропроводности от содержания сухих веществ в соке при t=40 °C.
Рис. 3. Зависимость электропроводности от содержания сухих веществ в соке при t=70 °C.
Зависимость электропроводности от концентрации носит хорошо выраженный экстремальный характер. Для исследованных соков область экстремума располагается в интервале 25…30% содержания сухих веществ во всём интервале исследованных температур, с незначительным смещением экстремума в направлении увеличения содержания сухих веществ с ростом температуры.
Зависимость электропроводности для всех соков от температуры в исследованном интервале содержания сухих веществ носит преимущественно монотонно возрастающий характер (рис. 4-5).
Рис. 4. Зависимость электропроводности от температуры при концентрации 10%.
Рис. 5. Зависимость электропроводности от температуры при концентрации 50%.
Расположение соков по электропроводности хорошо коррелируется с общей кислотностью соков (табл. 1), что особенно хорошо проявляется в области экстремума электропроводности.
Таблица 1
Расположение соков по кислотности в области экстремума электропроводности
|
Наименование сока |
Общая кислотность, % (при содержании сухих веществ – 25%) |
Электропроводность, См (при содержании сухих веществ – 25% и 20 ºС) |
|
Черносмородиновый |
5,9±0,1 |
18,8 |
|
Красной рябины |
4,2±0,1 |
14 |
|
Облепиховый |
3,2±0,1 |
13,8 |
|
Яблочный |
1,8±0,1 |
9,2 |
На основании чего сделан вывод о том, что кислотность вносит определяющий вклад в электропроводность сока. Зависимость носит линейный характер и может быть описана (с R2=0,98) линейным уравнением вида:
(4)
где: χ-электропроводность сока в См, К- общая кислотность сока в %.
В области высоких концентраций, в которых предположительно будут работать выпарные аппараты непрерывного действия, электропроводность имеет близкие значения для всех видов сока. Вероятно, это связано с тем, что при концентрировании снижается количество свободных подвижных ионов в соке и определяет электропроводимость в большей мере наличие воды.
Получена зависимость подводимой к выпариваемому раствору удельной (отнесённой к единице площади поверхности испарения) мощности от содержания сухих веществ, при которых происходит интенсивное кипение сока, но скорость образования пены не превышает скорости её разрушения (т.е. режим, когда аппарат не захлёбывается пеной). Зависимость носит также линейный характер и может быть описана (с R2=0,98) линейным уравнением вида:
(5)
где P – удельная мощность, подводимая к аппарату в Вт/м2; ω – концентрация сухих веществ, %; α и β – эмпирические коэффициенты, рассчитываемые экспериментально (для яблочного сока α=-1319,6 β=26097).
Результаты и их обсуждение
Полученные результаты свидетельствуют о стабильном характере электрических процессов, протекающих при омическом нагреве плодово-ягодных соков. Это способствует непрерывности процесса, упрощает систему автоматизации и контроля. Наличие прямой зависимости электропроводности от содержания сухих веществ позволяет контролировать течение процесса без вмешательства в процесс выпаривания, устраняя потери в связи с разгерметизацией при отборе проб по традиционному способу, что особенно актуально для работы вакуумных выпарных аппаратов.
Рецензенты:
Короткова Е.И., д.т.н., профессор, заместитель директора по научной работе и инновационному развитию ИПР Томского политехнического университета, г.Томск.
Погребенков В.М., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой ТСН Томского политехнического университета, г.Томск.